Wysoko wydajne powłoki wielowarstwowe
Ogromna większość usterek elementów inżynieryjnych wynika z problemów związanych z powierzchnią, takich jak niedostateczna adhezja powłok, pękanie czy wady spowodowane uderzeniami. Istnieje wiele sposobów zabezpieczania powierzchni, z których większość wiąże się z nakładaniem powłok wielowarstwowych różnej grubości, od skali nano (nanometrowej) poprzez skalę mikro (mikrometrową) aż po skalę makro (milimetrową). Projektowanie powłok wielowarstwowych opierało się dotychczas wyłącznie na doświadczeniu, co uwidoczniło potrzebę stworzenia wiernych i szczegółowych modeli, które pozwoliłyby przyspieszyć proces projektowania i poprawiać uzyskiwane parametry. W ramach unijnego projektu M3-2S (Multiscale modelling for multilayered surface systems) badaczom udało się dokonać istotnych postępów w zakresie modelowania metodą dynamiki molekularnej i analizy elementów skończonych. Zespół skupił się na płytkach skrawających do obróbki maszynowej prętów żeliwnych oraz kolejowych hamulców stalowych, wałków do formowania arkuszy ze stopu aluminium przeznaczonych do stosowania w jubilerstwie, biomedycynie oraz branży spożywczej, jak również na przekładniach dla różnych sektorów przemysłu. Wyniki dowiodły, że nowe, zaawansowane systemy powłok wielowarstwowych zwiększają odporność produktów demonstracyjnych na zużycie oraz ich wytrzymałość na obciążenia, jak również wydłużają czas eksploatacji tych produktów. Opracowana technologia dwustopniowej obróbki powierzchni stanowi połączenie metod powlekania z nawęglaniem i znacznie zwiększa odporność danego materiału na obciążenia i zużycie. Zastosowanie wielowarstwowych powłok z azotku tytanu (TiN) i azotku chromu (CrN) metodą azotowania plazmowego zwiększyło odporność na obciążenia i zużycie odpowiednio 3- i 1000-krotnie w porównaniu z obecnie używanymi jednowarstwowymi powłokami TiN/CrN nakładanymi na hartowaną stal. Taki wzrost wytrzymałości systemów powłok wielowarstwowych może wydłużyć okres eksploatacji wielu podzespołów oraz urządzeń produkcyjnych. Dzięki większej żywotności części, takie jak końcówki skrawające, formy do obróbki plastycznej na gorąco czy elementy silników i przekładni, nie wymagają częstej wymiany, co przekłada się na krótszy czas przestoju maszyn. Dodatkowo mniejsze ryzyko uszkodzenia narzędzi i podzespołów poddanych obróbce powierzchniowej sprawia, że czas ich eksploatacji jest znacznie dłuższy, przez co wykorzystanie zasobów jest mniejsze. Zastosowanie specjalnych powłok wielowarstwowych o wysokiej twardości umożliwia obróbkę na sucho, eliminując tym samym problemy środowiskowe związane z używaniem i utylizacją chłodziw. Nowe formy z wielowarstwowymi powłokami samosmarującymi pozwalają formować arkusze blachy bez konieczności stosowania olejów smarujących. Opracowane w ramach projektu M3-2S nowe techniki modelowania wielkoskalowego powinny uprościć projektowanie systemów powłok wielowarstwowych dla wielu gałęzi przemysłu, zwiększając konkurencyjność Europy na rynku obróbki powierzchniowej.
Słowa kluczowe
Powłoki, obróbka powierzchni, systemy powłok wielowarstwowych, M3-2S, odporność na zużycie, wytrzymałość na obciążenia
